微小高度检测系统设计

　　引言

　　光学三维形貌测量具有非接触性、高准确度和高分辨力的特点，在反求工程、在线检测、医疗检测、机器视觉等领域有着广泛的应用，被认为是最有前途的三维形貌检测方法[1]。在利用光学成像原理测量物体表面形貌的方法中，常用的有移像法[2]、相息图法[3]、光切法和莫尔条纹法[4]等，其中莫尔条纹法应用较多，其原理是利用平行光照射光栅，将光栅成像在被测物体上形成变形光栅，变形光栅便携带了物体的三维形貌信息。在观察侧再用透镜对变形光栅成像，在变形光栅像的位置放置参考光栅，便可以在参考光栅表面看到莫尔条纹，通过分析莫尔条纹就可以得到物体的高度信息[5，6]。但是该方法在测量的高度值很小的时候，不同级次的条纹的像容易混淆。文中在莫尔条纹法的基础上，提出了利用白光照射等间距的条纹板，设计了投影光学系统，实现条纹的像等间距地投射到被测物体上，再利用照相系统将等间距的像成像在CCD上，通过对CCD上像的处理，可以还原出高度信息，实现对微小高度的测量。

　　1　系统的组成及原理

　　1.1　系统的组成和实现过程系统组成如图1所示。图1中黑色表示亮条纹，白色表示暗条纹。A、A′分别表示条纹板同一狭缝投影投影到基板上的亮条纹或者投影到焊点上的亮条纹，B表示条纹板其他狭缝投影到基板上的亮条纹。

　　该系统是由等间距的条纹板，投影系统，照相系统组成。通过平行光照射条纹板使其发光，将其作为投影系统的物，投影系统需要相对基板倾斜放置，将条纹板的像等间距地投射到基板上。照相系统相对基板垂直放置，将经过物体高度调制的亮暗条纹再次成像在CCD上。然后对CCD接受到的条纹图像进行分析，便可得到焊点的高度值。

　　1.2　系统的原理

　　投影系统将条纹板的亮暗相间像等间距地投射到被测物焊点上，受到焊点高度的调制作用形成错位的亮暗相间条纹，再由照相系统将亮暗相间的条纹成像在CCD上。CCD上得到的条纹图像便携带了焊点的高度信息。经过图像处理，可以分析出焊点的高度值。

　　为实现对高度的测量，基板上的亮暗条纹需要满足：(1)对于同一个焊点高度h，条纹板上同一条狭缝投影到基板上形成的条纹A与投射到焊点上形成的条纹A′不能完全互相重叠。(2)条纹板上不同两条狭缝A和B的投影不能互相重叠。设基板上的条纹宽度为D，条纹重叠宽度为d，A和A′相对基板所在水平面的投影间隔为b。根据以上两个条件，分辨情况如图2所示。图2中黑色表示亮条纹，白色表示暗条纹，A、B两点分别表示不同的两个狭缝投影的焊点上的亮条纹的中心点。图中经焊点调制作用后的条纹发生错位，调制后的条纹图中，内部黑线框里面表示的是基板上焊点调制后的条纹，外面表示的是基板上的未被调制的条纹。图中最下面给出了三种分辨情况，其中前两种是两种极限情况，即不能分辨和最佳分辨;第三种是介于两者之间的情况，该情况也能完成分辨。